JP2000021810A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000021810A
JP2000021810A JP10183104A JP18310498A JP2000021810A JP 2000021810 A JP2000021810 A JP 2000021810A JP 10183104 A JP10183104 A JP 10183104A JP 18310498 A JP18310498 A JP 18310498A JP 2000021810 A JP2000021810 A JP 2000021810A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、半導体装置の動作性能を左右する
オーミック電極形成時におけるコンタクト抵抗を低減す
ることを目的とする。 【解決手段】 本発明の半導体装置は、III−V族の
化合物半導体からなり、低抵抗の電極を形成するため
の、半導体ヘテロ結合を含んで構成されたコンタクト層
を有する半導体装置において、前記半導体ヘテロ接合の
ワイドギャップ側の半導体層中に不純物がバルク的に添
加されており、かつ前記ワイドギャップ側の半導体層中
に不純物が1層または複数層のシート状に添加されてい
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はIII−V族化合物
半導体装置において、オーミック電極形成時のコンタク
ト抵抗を低減するコンタクト層構造に関する。
【0002】換言すれば本発明は、高電子移動度トラン
ジスターを高速動作させる時に必要なソース抵抗の低減
を効果的に行うことができ、そのトランジスター特性を
向上することに利用することができる技術である。
【0003】
【従来の技術】一般的に、III−V族化合物半導体装
置はIII−V族化合物半導体の基板上に形成される。
最近では、高速動作のために、基板にInPを用い、そ
の上にInAlAs、InGaAs等から構成される高
電子移動度トランジスター構造を形成した半導体装置が
提案されている。
【0004】高電子移動度トランジスターの基本的構成
を図1に示す。この高電子移動度トランジスターにおい
ては、InPからなる半絶縁性基板11上に、まず、ノ
ンドープのInAlAs半導体層12、ノンドープのI
nGaAs半導体層13、ノンドープのInAlAs半
導体層14、n型の不純物をバルクドーピングしたIn
AlAs半導体層15、ノンドープのInAlAs半導
体層16、n型不純物をバルクドーピングしたInAl
As半導体層17、n型不純物をバルクドーピングした
InGaAs半導体層18をそれぞれ順次堆積させると
ともに、これらのn型InAlAs半導体層17、n型
InGaAs半導体層18をノンドープのInAlAs
半導体層16上で、リセス溝によって二つの領域に分割
させ、かつ、前記のノンドープInAlAs半導体16
上に第一の電極として、ショットキー電極20、およ
び、ショットキー電極20を挟むように対向して、n型
InGaAs半導体層19上に第二の電極として各オー
ミック電極21、22をそれぞれ形成させてある。
【0005】前記の層構成の場合、ノンドープInAl
As半導体層12はバッファー層、ノンドープのInG
aAs半導体層13は電子走行層、ノンドープのInA
lAs半導体層14、16はそれぞれスペーサ層14及
びバリア層16、n型InAlAs半導体層15は電子
供給層、n型InAlAs半導体層17とn型InGa
As半導体層18は抵抗低減のためのコンタクト層とし
てそれぞれ作用し、かつ、ショットキー電極20につい
てはゲート電極、オーミック電極21、22はそれぞれ
ソース電極、ドレイン電極となる。
【0006】高電子移動度トランジスターの電流利得遮
断周波数(ft)、伝導コンダクタンス(gm)を向上
させるためには、ソース抵抗を低減する必要がある。A
lGaAs/GaAs系の高電子移動度トランジスター
の場合には、AuGeと半導体の合金層をチャネル層ま
でシンターさせてオーミック電極を形成するが、図1に
示したInAlAs/InGaAs系の高電子移動度ト
ランジスターの場合には、InGaAsとAuGeが低
温で反応し、時として表面マイグレーションにより電極
間のショートを起こすために、オーミック電極の形成に
はノンアロイオーミック電極が用いられる。
【0007】ノンアロイオーミック電極を形成するため
には、n−InGaAsとバリア層であるノンドープの
InAlAsの界面に存在するバンド不連続(ΔEc)
を実効的に小さくする必要があり、この目的のためにn
型不純物をドーピングしたInAlAs半導体層17が
挿入されている。この層の挿入によって、InAlAs
層に伸びる空乏層厚が低減され、トンネル電流が増加す
ることによってコンタクト抵抗が低減する。しかし、低
抵抗化のために厚いn−InAlAs、n−InGaA
s層を用いると図中に示したキャップ層伝導32が支配
的となり、二次元電子ガスへのコンタクト伝導31が低
減する。このような状態では、コンタクト抵抗が電極間
距離に依存するようになるので、キャップ層は空乏層を
薄くするために、Siのドーピング濃度を出来るだけ上
げて、かつ、余分な中性領域が出来ないように薄層にす
ることが重要となる。実際、分子線エピタキシャル成長
法(MBE)で、バルクドーピング濃度が1×1019
-3のInAlAsとInGaAs結晶を用い、膜厚を
それぞれ150Åと120Åとで設計したコンタクト層
を形成した場合、そのコンタクト抵抗は約0.08Ω・
mmと極めて低い値となり、二次元電子ガスへのコンタ
クトをノンアロイで形成することができている。
【0008】前記のように、コンタクト抵抗の低減には
Siのドーピング濃度を出来るだけ上げて、かつ、余分
な中性領域が出来ないようにキャップ層の厚さを設計す
ることが重要である。化合物半導体の結晶成長には、通
常、有機金属気相成長法(MOVPE)やMBE法が用
いられるが、MOVPE法ではInAlAs結晶中にM
BE法ほど高濃度でバルクドーピングが行えない問題が
ある。InAlAsへSiのドーピングを行った場合、
MBE成長では1×1019cm-3のドーピングが可能で
あるのに対して、MOVPE法では4〜5×1018cm
-3でドーピングが飽和してしまう。この結果、1×10
19cm-3では約83Åである空乏層の厚さが5×1018
cm-3では118Åに増加する。一方、トンネル電流は
空乏層の厚さに対して指数関数的に変化するため、この
ドーピング濃度の減少によってトンネル電流が減少し、
結果としてコンタクト抵抗が増加する。
【0009】以上の理由から、図1に示したような高電
子移動度トランジスター構造をMOVPE法を用いて成
長させた場合、MBE法で成長した場合と比較してコン
タクト抵抗が大きくなり、ソース抵抗が増加するのが現
状であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の問題
を解決するために提案されたものであり、半導体装置の
動作性能を左右するオーミック電極形成時におけるコン
タクト抵抗を低減することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
III−V族の化合物半導体からなり、低抵抗の電極を
形成するための、半導体ヘテロ結合を含んで構成された
コンタクト層を有する半導体装置において、前記ヘテロ
接合のワイドギャップ側の半導体層中に不純物がバルク
的に添加されており、かつ前記ワイドギャップ側の半導
体層中に不純物が1層または複数層のシート状に添加さ
れていることを特徴とする。
【0012】また、本発明の半導体装置においては、I
nP基板上に形成されたInAlAs/InGaAs高
電子移動度トランジスタであり、前記半導体ヘテロ接合
を含んで構成されたコンタクト層がn−InGaAs/
n−InAlAs構造であり、前記ワイドギャップ側の
半導体層がn−InAlAs層であり、前記シート状に
添加される不純物がn型不純物であり、前記不純物がシ
ート状に添加される層の前記コンタクト層のヘテロ接合
からの距離が、前記不純物がシート状に添加される層が
存在しない場合に前記コンタクト層のn−InAlAs
層が空乏化する膜圧以内の位置に形成することが好まし
い。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明は、n型不純物をバルクド
ーピングしたInGaAs/InAlAsから構成され
るコンタクト層を高電子移動度トランジスター上に形成
し、かつ、n型不純物を前記n−InAlAs層中に発
生した空乏層中にプレーナードーピングすることを発明
の要旨とするものである。
【0014】前記のようにMOVPE法を用いて成長し
たコンタクト層のコンタクト抵抗が高いのは、InAl
Asへのバルクドーピング特性が5×1018cm-3付近
で飽和してしまうことが原因であり、この問題を解決す
るためには、InAlAs結晶中にさらなるSiのドー
ピングを行う必要がある。
【0015】上述の不純物のドーピング方法としては、
バルクドーピング法とプレーナードーピング法がある。
プレーナードーピング法は原子層でドーピングを行う方
法で、一般的に、成長の中断を行い、表面荒れを防止す
るためにV族の原料ガスを供給した状態で、ドーパント
ガスを供給する方法が採用されている。さらに、MOV
PE法でInAlAsへSiのプレーナードーピングを
行う場合、最大濃度で5×1013cm-2付近までドーピ
ングが可能であり、コンタクト抵抗の低減に有効と考え
られる。
【0016】上記したMOVPE法では一般的にジシラ
ン(Si26)やシラン(SiH4)をドーパントガス
に用いてドーピングを行う。例えば、InGaAsにド
ーピングを行った場合には、MBEと同様、1019cm
-3台のドーピングが可能であり、InAlAsの場合の
み、そのドーピング濃度が低下する。前述したように、
コンタクト抵抗の低減にはSiのドーピング濃度を出来
るだけ上げて、かつ、余分な中性領域が出来ないように
キャップ層の厚さを設計することが重要である。MBE
法のようにInAlAs、および、InGaAsに1×
1019cm-3のドーピングを行う場合を考えた時、n−
InGaAs層とn−InAlAs層に形成される空乏
層の厚さは、それぞれ、約73Åと83Åとなり、プロ
セスマージンを考慮すると最適膜厚はInGaAs、I
nAlAsともに100Å〜200Åの範囲と考えられ
る。しかし、前記のようにMOVPE法を用いた場合に
は最大ドーピング濃度が5×1018cm-3であるため、
InAlAsの空乏層厚さは約118Åとなる。
【0017】次に、この空乏層の中央付近にプレーナー
ドーピングを行う場合について考える。モデルを簡単に
するためにバンドプロファイルを直線近似し、かつ、ド
ーピングによってフェルミ準位(Ef)とInAlAs
の伝導帯(Ec)が平衛状態では一致すると仮定すると
n−InAlAsに形成した空乏層の中央位置のEcと
Efのエネルギー差はInGaAsとInAlAsのΔ
Ecの半分(約0.25eV)となる。さらに、空乏層
の中央付近にプレーナードーピングを行い、その位置で
EcをEfまで引き下げるのに必要とするプレーナード
ーピング濃度を見積もると約2.8×1012cm-2とな
る。つまり、バルクドーピング濃度が5×1018cm-3
であっても、その空乏層の中央に一定濃度以上のプレー
ナードーピングを行えば、空乏層厚が半分以下(約60
Å)となって、1×1019cm-3のバルクドーピングを
行った以上にコンタクト抵抗が低減できることになる。
【0018】次に、MOVPE法を用いて、前記のコン
タクト層構造を実際に成長した。基板温度は630℃で
ある。この時、InGaAsへは1×1019cm-3のバ
ルクドーピングを行い、その膜厚を120Åとした。ま
た、InAlAsには5×1018cm-3のバルクドーピ
ングを行い、膜厚を150Åとした。プレーナードーピ
ングはn−InGaAs/n−InAlAs界面から6
0Å下のn−InAlAs側空乏層中に行い、そのプレ
ーナドーピング濃度は2.8×1012cm-2とした。コ
ンタクト抵抗はTLM(Transmission L
ine Model)測定を用いて評価した。
【0019】この結果、プレーナードーピングを行った
本発明ではコンタクト抵抗が0.06Ω・mmまで減少
し、1×1019cm-3のバルクドーピングを行ったMB
Eの結果よりさらにコンタクト抵抗が低減していること
が分かった。比較のために、プレーナドーピングを用い
ない場合についても評価したが、その時のコンタクト抵
抗は約0.15Ω・mmで、前述したMBE成長の結果
の約2倍であった。
【0020】従来技術がコンタクト抵抗をバルクドーピ
ング濃度で制御していたのに対して、本発明はバルクド
ーピングとプレーナドーピングを併用し、かつ、プレー
ナドーピング位置を調整することでコンタクト抵抗を効
果的に低減した点が異なる。
【0021】本発明の作用としては、III−V族化合
物半導体装置において、オーミック電極形成時のコンタ
クト抵抗を低減するコンタクト層構造に関する。つま
り、本発明の利用によって、MOVPE法でも高電子移
動度トランジスターを高速動作させる時に必要なソース
抵抗の低減を効果的に行うことができ、そのトランジス
ター特性の向上するのに役立てることができる。
【0022】
【実施例】本発明の実施例について図面を用いて詳細に
説明する。
【0023】図2は本発明の実施例として、InP基板
上にInAlAs結晶とInGaAs結晶から構成され
た高電子移動度トランジスターを成長した後、n−In
GaAs/n−InAlAs構造からなるコンタクト層
を成長し、かつ、n−InAlAs層中にコンタクト抵
抗を低下させる目的でプレーナードーピングを行った時
の層構造を示す。同図において、101はInP基板、
102はInAlAsバッファー層、103はInGa
Asチャネル層、104はInAlAsのスペーサ層、
105はInAlAsにSiをバルクドーピングしたキ
ャリア供給層、106はInAlAsのバリア層、10
7はSiをバルクドーピングしたn−InAlAsコン
タクト層、108はSiをバルクドーピングしたn−I
nGaAsコンタクト層である。また、プレーナードー
ピング109は107のn−InAlAsコンタクト層
中に行い、位置は108のn−InGaAsコンタクト
層の60Å下とした。
【0024】次に、図2に示した構造を実際にMOVP
E法を用いて成長し、AuGeをオーミック電極として
蒸着した後、TLM測定を行った。結果を図3に示し
た。
【0025】成長条件としては、成長温度は630℃で
あり、InAlAsの成長にはIII族の原料ガスとし
て、トリメチルインジウム(TMI)とトリメチルアル
ミニウム(TMA)を用いた。また、InGaAsの成
長にはTMIとトリエチルガリウム(TEG)を用い
た。V族原料ガスにはアルシン(AsH3)、フォスフ
ィン(PH3)を用い、Siのドーピングはジシランを
用いた。
【0026】さらに、107の半導体層であるn−In
AlAs層には5×1018cm-3のバルクドーピングを
行い、その膜厚を150Åとした。また、108のn−
InGaAs層には1×1019cm-3のバルクドーピン
グを行い、膜厚を120Åとした。図3から見積もられ
るシート抵抗(Rs)は113Ω/□であり、コンタク
ト抵抗(Rc)は図4のcに示すとおり0.06Ω・m
mとであった。
【0027】さらに、比較のため、MOVPE法を用い
て図2に示した試料構造でプレーナードーピングを行わ
ない試料を作製した。
【0028】また、MBE法を用いて図2に示した10
7の半導体層であるn−InAlAs層には1×1019
cm-3のバルクドーピングを行った試料を作製した。前
記と同様のTLM測定を行い、得られたコンタクト抵抗
を図4に示す。
【0029】図4に示すとおり、MOVPE法で成長し
たプレーナードーピング無しの試料のコンタクト抵抗
(a)が最も高く、0.15Ω・mmであった。また、
MBE法を用いて作製した従来型の構造ではコンタクト
抵抗(b)は0.08Ω・mmであった。
【0030】以上図4の結果から、MOVPE法を用い
てプレーナードーピングを行わない場合、そのコンタク
ト抵抗はMBE法で作製した試料の約2倍であったが、
本発明を用いることで、MOVPE法でもそのコンタク
ト抵抗がMBE法以上に低減したことが分かった。詳細
には、ドーピングが5×1018cm-3程度で飽和してし
まうMOVPE法においても、本発明によれば、1×1
19cm-3のドーピングを行ったと同等のコンタクト層
が形成できることを示している。
【0031】さらに、1〜5×1018cm-3でn−In
AlAsのバルクドーピング濃度を変化させ、コンタク
ト抵抗が約0.08Ω・mmとなるプレーナードーピン
グ濃度を調べた結果を図5に示す。この時、n−InA
lAsのバルクドーピング濃度とプレーナードーピング
濃度以外は全て図2で行った実験と同一にした。
【0032】図5に示されるとおり、コンタクト抵抗を
一定にするためにはバルクドーピング濃度が低くなるに
従い、プレーナードーピング濃度を増加させる必要があ
ることが分かる。
【0033】さらに、プレーナードーピングをより高濃
度で行うことにより、トンネル電流が流れる障壁層の厚
さをより薄くする効果が得られるため、さらなるコンタ
クト抵抗の低減に利用できる。さらに、プレーナードー
ピング位置をn−InGaAs側に近づけ、かつ、プレ
ーナードーピング濃度を増加させる方法でさらなるコン
タクト抵抗の低減が達成できる。
【0034】当然のことながら、本発明においては種々
の設計変更ができ、それらが本発明の範囲に属すること
は言うまでもない。例えば、MBE法、MOMBE法等
の他の成長法を用いてもコンタクト抵抗を低減すること
ができる。また、プレーナードーピング層は2層以上挿
入しても良く、これによりコンタクト抵抗をより低減す
ることができる。
【0035】
【発明の効果】本発明はIII−V族化合物半導体装置
において、オーミック電極形成時のコンタクト抵抗を低
減するコンタクト層構造の構造に関する。MOVPE法
ではMBE法と比較してInAlAs結晶に高濃度でS
iをドーピングできない潜在的問題があった。本発明
は、この問題点をコンタクト層へのドーピングを工夫す
ることで解決したものである。MOVPE法は半導体装
置の製造、量産において有望視されている結晶成長法で
あるため、本発明は各種半導体デバイスの実用化および
応用を推進する大きな効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】InP基板上に高電子移動度トランジスターを
形成した時の層構造。
【図2】本発明の実施例を示すもので、InP基板上に
高電子移動度トランジスターを形成し、かつ、n−In
AlAsコンタクト層中にコンタクト抵抗を低下させる
目的でプレーナドーピングを行った時の層構造。
【図3】図2で示した構造のTLM評価結果を示す図。
【図4】本発明の効果を示すもので、本発明の結果とプ
レーナードーピングを行わないMOVPEの結果、およ
び、MBEの結果を比較した図。
【図5】コンタクト抵抗を一定にするために必要なプレ
ーナードーピング濃度とn−InGaAsコンタクト層
のバルクドーピング濃度の関係を示す図。
【符号の説明】
11 InP半絶縁性基板、 12 ノンドープのInAlAs半導体層、 13 ノンドープのInGaAs半導体層、 14 ノンドープのInAlAs半導体層、 15 n型の不純物をバルクドーピングしたInAlA
s半導体層、 16 ノンドープのInAlAs半導体層、 17 n型不純物をバルクドーピングしたInAlAs
半導体層、 18 n型不純物をバルクドーピングしたInGaAs
半導体層、 20 ショットキー電極、 21 オーミック電極、 22 オーミック電極、 31 二次元電子ガスへのコンタクト伝導、 32 キャップ層伝導、 101 InP基板、 102 InAlAsバッファー層、 103 InGaAsチャネル層、 104 InAlAsのスペーサ層、 105 InAlAsにSiをバルクドーピングしたキ
ャリア供給層、 106 InAlAsのバリア層、 107 Siをバルクドーピングしたn−InAlAs
コンタクト層、 108 Siをバルクドーピングしたn−InGaAs
コンタクト層、 109 プレーナードーピング。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 AA04 AA07 BB10 CC01 DD26 DD34 GG12 HH15 5F102 FA03 GB01 GC01 GD01 GJ06 GK04 GL04 GM07 GR15

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 III−V族の化合物半導体からなり、
    低抵抗の電極を形成するための、半導体ヘテロ結合を含
    んで構成されたコンタクト層を有する半導体装置におい
    て、 前記半導体ヘテロ接合のワイドギャップ側の半導体層中
    に不純物がバルク的に添加されており、かつ前記ワイド
    ギャップ側の半導体層中に不純物が1層または複数層の
    シート状に添加されていることを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項2】 前記半導体装置が、InP基板上に形成
    されたInAlAs/InGaAs高電子移動度トラン
    ジスタであり、 前記半導体ヘテロ接合を含んで構成されたコンタクト層
    がn−InGaAs/n−InAlAs構造であり、 前記ワイドギャップ側の半導体層がn−InAlAs層
    であり、 前記シート状に添加される不純物がn型不純物であり、
    前記不純物がシート状に添加される層と前記コンタクト
    層のヘテロ接合との距離が、前記不純物がシート状に添
    加される層が存在しない場合に前記コンタクト層のn−
    InAlAs層が空乏化する膜厚以内であることを特徴
    とする請求項1に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110676171A (zh) * 2019-08-28 2020-01-10 西安邮电大学 一种基于InAlAs材料的MOS器件及其制备方法

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CN110676171A (zh) * 2019-08-28 2020-01-10 西安邮电大学 一种基于InAlAs材料的MOS器件及其制备方法

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